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倒番茄酱敲瓶底所引发的悲剧,和土壤液化──《茶杯里的风暴》

倒番茄酱敲瓶底所引发的悲剧

某个慵懒的星期天,我在一间英式酒吧点了一份午餐:附餐会有薯片,以及随之附上的一罐番茄酱,但是这种组合需要你付出一点体力为代价。数十年来,这些周遭的梁柱已经见证过无数次这样的仪式:挤番茄酱。为了要让番茄酱离开瓶子,人们大多必须与它暴力相向。

Seinfeld中的片段。source:Giphy

大部分的人每次刚开始倒番茄酱时,都很乐观地直接让瓶口朝下,尝试让番茄酱自然流出,但通常什么事都不会发生。因为番茄酱是厚实黏稠的物体,重力不足以把它拉出瓶子。厂商之所以让它具备这种状态,第一个原因是黏稠的番茄酱可以避免放置了一段时间后,里面的香料开始沉淀,使得你必须在使用前将它摇晃均匀;第二个原因是大家喜欢薯片上有厚厚一层番茄酱,如果它不够黏稠,淋在食物上只会有薄薄的一层,其余都会流到旁边。不过说了这么多,我的番茄酱依然在瓶子内,还是没有淋到薯片上。

当大家将打开瓶口的番茄酱倒置在薯片上方几秒钟后,终于开始明白瓶子里的番茄酱对于重力的拉扯是丝毫不为所动。那些亟欲享用薯片的人开始摇晃瓶子,而且越来越大力,甚至还会用另外一只手拍击瓶子的底部(这时的「底部」是指朝上的那侧)。当餐厅里的人都开始注意这个人与瓶子之间的战斗时,忽然,四分之一瓶的番茄酱就这样倒在薯片上。这就奇怪了,它可以一次流出这么多,让薯片盖满厚厚的番茄酱(也可能喷了一大堆到桌上),那为什么刚才一滴也流不出来?这种抗拒到了某种程度之后,才会大量出现的流动,原因是什么?

source:Giphy

番茄酱是液体还是固体?

这一切都跟番茄酱有关,当你尝试缓慢而柔和地推动它时,它就如同一个固体,但是一旦你快速摇晃它,它就像是液体,因而流动自如。当番茄酱在瓶子内或在薯片上时,只有重力会轻微地吸引它,就如同吸引一个固体一样,维持在原来的位置;但是快速摇晃就会使得番茄酱的内部开始移动,此时就出现液体的行为。这一切都跟时间有关,如果使用不同的速度移动同样的东西,结果就会大不相同。

番茄酱最主要的成分就是番茄,以及增加风味的醋与香料,而番茄本身除了大量的水, 其他成分似乎也没有什么特别之处。但是这瓶番茄酱的秘密就在于其中0.5% 的添加物,它们是由糖分子组成的长链化合物,称为「黄原胶」(xanthan gum)。这种化合物最早的用途是在于细菌的培养,如今则是一种常见的食品添加剂。

图/By Mike Mozart @ flickr , CC BY 2.0

当瓶子静置在桌上时,这些被水包围的长链分子彼此会轻微地交缠,因此可以固定番茄酱内的各种物质。但是随着餐厅客人拿着瓶子摇晃,这些长链分子会暂时解开,不过很快又会恢复与其他的长链分子交缠。当瓶子摇晃得越来越剧烈时,就会有越多分子处于分开的状态,直到它们交缠的速度比不上分开的速度,这时,番茄酱就不再像固体,而是变成了液体,从瓶子内流出来了。

source:Giphy

所有英国人每天花在倒番茄酱的时间,一定相当可观,但其实有一个方法可以解决这个问题,却很少人去做。大家常将瓶子倒置,然后摇晃、拍打底部,其实是事倍功半的做法,因为变成液体的番茄酱都在底部,而朝下的瓶颈内的番茄酱,却依然像固体。所以最好的方式不是拍打底部,而是让番茄酱的瓶子倾斜对准薯片,然后拍打瓶子的前端,这时变成液体的番茄酱就在出口,所以很容易就自然地流出来,而且不需要大力摇晃,不会弄出打扰其他客人的声响,也不用担心整瓶番茄酱都变成液体,忽然喷得到处都是,更不会让你的薯片埋在一大滩的番茄酱底下。

当你尝试缓慢而柔和地推动番茄酱时,它就如同一个固体,但是一旦你快速摇晃它,它就像是液体,因而流动自如。图/By Jeffreyw @ flickr, CC BY 2.0

从番茄酱到土壤液化

番茄酱是生活中的小事物,但是同样的物理学现象,如果作用在大规模的区域,可能会造成难以想像的后果。基督城(Christchurch)是一个迷人的纽西兰城市,我曾经在2002 年造访过它,那里的土地是由亚芬河(Avon)所携带的微小颗粒,在数千年当中不断沉积而成的地层,因此这个风景优美的地方,其实是一个不定时炸弹。

基督城。图/By P. Stalder @ wikimedia commons

在2011年2月22日下午12点25分的时候,位于市中心东南方10公里的地方,发生了一场芮氏规模(Richter scale)6.3的地震。地震本身就会摇晃人与物品而造成伤害与灾难,甚至会毁坏建筑物。这座城市下方的沉积物地层,只有在它维持坚固的固体状况下,才能让都市稳定地运作;然而地震带来的剧烈摇晃改变了一切,如同摇晃装有番茄酱的玻璃瓶一样,这些沉积物液化了。虽然都是相同的物理现象,但是不同于番茄酱内的长链分子因为摇晃而彼此分开,从小尺度上来看,地震的晃动让水进入这些沉积物,使得沙土分开而流动。

路面上的汽车之所以不会下沉,是因为虽然重力把它往下拉,但是地面同时也足够坚固,可以抵抗这种牵引。然而在基督城地震的那几分钟内,这种平衡却被打破了,这些数十年来没有移动过的沙地,随着振动而被迫彼此之间错开、滑动。若是振动造成的平移速度慢,在它上方的车子就安全无虞,然而强大的地震造成快速的平移,沙子与空隙中的水分被迫离开原来相对的位置,于是沙子彼此滑动,形成一种流质的泥沙混合物,同时脱离固体的状态。因为振动而流动的沙土失去支撑力,牵引汽车的重力获胜,于是车子开始下沉;不过当地震的振动结束之后,晃动减缓的沙子很快找到彼此之间的支撑而重新固化,摇晃结束后,许多原来在沙地上的车子都呈现半掩埋的状态。

在沙漠中遇到流沙时,拼命挣扎的结果往往使人万劫不复。图/By Naturefreak @ Pixabay

这次的地震为基督城带来史无前例的伤害,许多汽车掩没在沙土当中,建筑物的地基因为随着周边与下方沙土的移动而下沉、倾斜。这个称为「液化」(liquefaction)的现象,通常只有地震这样强大的能量释放,才能晃动由大量沉积物组成的地层。不过如果摇晃的速度比较缓慢,这些沙子组成的地层有足够的时间传递能量,就不会将能量留在其中而产生液化。这就是为什么在沙漠中遇到流沙时,拼命挣扎的结果往往使人万劫不复。因为人在流沙当中快速而大力地摆动四肢与身体,周围被他扰动的流沙就形同液体,使得身在其中的受害者逐渐下沉;如果他以很缓慢的速度动作,沙子就会呈现固体的样貌,大大增加脱困的机会。

振动的频率取决于时间,所以你如果用不同时间去完成一些事情,例如快速摇晃番茄酱,或是缓慢地爬行在流沙中,就会得到截然不同的结果,重点在于「掌握时间」。

本文摘自泛科学8月选书《茶杯里的风暴:丢掉公式,从一杯茶开始看见科学的巧妙与奥秘》,三采文化出版。

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